К. Ю. Слободчиков
Инженер ООО НКФ "Вега-ЛТД"

УДК 363

Метод структурного моделирования системы управления компрессорным цехом

Аннотация. Проводится сравнительный анализ способов имитационного компьютерного моделирования для решения технологических задач, возникающих при программировании современных систем управления. Рассмотрен подход к моделированию на примере структурного компьютерного моделирования агрегатов газокомпрессорной станции.

В практике отработки программ широко используется компьютерное моделирование. Правильно организованное компьютерное моделирование приводит к решению ряда технических задач и дает существенный экономический эффект [1].

Однако для этого необходимо постоянное обновление подходов к моделированию, отражающее изменение структуры современных автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП). Эти изменения затрагивают, прежде всего, распределение функций, и, как следствие необходимость нового подхода при решении задач в современных программно-аппаратных средствах многоуровневых система управления и вкратце сводятся к следующему:

В настоящее время технически обоснованной и проверенной временем можно считать концентрацию функций регулирования, обработки и формирования технологических сигналов, предупредительной сигнализации и аварийных защит на нижнем уровне системы (уровне контроллера). Этим, прежде всего, повышается надежность всей системы.

Верхний уровень - обычно это промышленная станция или персональный компьютер, на котором установлена SCADA - (Supervisory Control and Data Acquisition -система), служит для отображения получаемой с нижнего уровня информации, формирования графиков, таблиц, архивов, отчетной документации. При помощи анимированных программных средств управления он позволяет оператору изменять технологическое состояние агрегата, входящих в систему узлов и механизмов и оперативно влиять на развитие контролируемых процессов.

В создании программного обеспечения верхнего уровня на разных этапах создания "проекта" верхнего уровня системы принимает участие самый широкий круг специалистов. При этом программисту этого уровня важно не только без ошибок организовывать работу программ верхнего и нижнего уровня, но и уметь правильно использовать возможности графических средств, находить верные варианты представления информации, знать особенности восприятия и уметь учесть пожелания специалистов, которые будут пользоваться этой программой.

Традиционно принято считать, что конечными пользователями программного обеспечения (ПО) верхнего уровня являются операторы. Это отчасти верно только для систем "бизнес - уровня". На агрегатном уровне АСУ ТП (где так же используется SCADA-система) с этой программой кроме операторов имеют дело наладчики, технологи, электрики, механики и другие специалисты.

В процессе разработки многоуровневой АСУ ТП у программиста-технолога возникают задачи сверки и тестирования запрограммированных алгоритмов в программах низкого уровня, их отладки, а так же отладки программ верхнего уровня совместно с программой низкого уровня.

Важнейшими этапами проектирования новых АСУ ТП являются как предварительная проверка правильности расчетов на математических моделях, так и тестирование и отладка опытных образцов на всевозможных испытательных стендах. Современное развитие программного обеспечения дает новые возможности, позволяющие обходиться без дополнительной аппаратной базы для решения комплекса поставленных задач, то есть решать их на виртуальном уровне. Возникает вопрос обоснованности такого отказа от аппаратной структуры и перехода к программной структуре испытательного стенда. Для того чтобы правильно выбрать необходимую методику моделирования, необходимо четко представлять, какие задачи должен решать имитатор, каковы возможности для его реализации, какие допущения могут быть сделаны исходя из ограничений, вытекающих из условий разработки имитатора.

В данной работе предлагается определить имитатор, как некий программный или физический аналог работы агрегата, необходимый для решения следующих задач:

  1. Проверки работоспособности программы управления. Под работоспособностью понимается отсутствие на любом режиме работы сбоев, зависаний, существенного снижения скорости выполняемых операций и т.п.
  2. Проверки соответствия работы программы технологическому алгоритму. Это соответствие заключается в достижении необходимой последовательной смены программированных событий в различных режимах программы согласно алгоритму управления, принятого в техническом задании на систему.
  3. Проверки привязки и качества разработки интерфейса верхнего уровня. Большая часть ошибок привязки проекта верхнего уровня обнаруживается именно при запуске программы. Тогда же становятся очевидными ошибки в выборе цветовой гаммы, в обозначениях элементов, в работе алгоритмов управления проекта верхнего уровня (в формировании архивной информации, в построении графиков и т.п.)
  4. Предварительной настройки параметров управления, если таковые не предусмотрены заводскими алгоритмами. К числу таких параметров относятся коэффициенты ПИД-регулятора, некоторые задержки на выполнение команд управления и т.п.
  5. Решения задач оптимизации методов автоматического регулирования и алгоритмов автоматизированного управления по выбранным критериям оптимизации.

Решение перечисленных задач являются важными этапами разработки программного обеспечения современного АСУ ТП и, необходимым этапом компьютерной технологии построения многоуровневой САУ КЦ. При этом первые три задачи относятся к эргономическим аспектам работы программистов и операторов, а последние две - к техническим аспектам работы технологов и наладчиков АСУ ТП. Ограничения, накладываемые на процесс разработки и на сам имитатор, определяются условиями, в которых протекает этот этап проектирования и задачами моделирования и отладки.

Наиболее характерными для многоуровневых АСУ ТП являются:

  1. Ограничения на внесение изменений в программу управления. Разработка имитатора не должна сопровождаться необходимостью внесения в работу программы дополнительных изменений, которые могут так или иначе повлиять на работоспособность программы управления или изменить соответствие программы исходному алгоритму.
  2. Ограничения на время разработки. Имитатор должен быть разработан в пределах срока, отведенного на проектирование программного обеспечения (ПО), так чтобы он был готов к началу его отладки, а работа по созданию имитатора не превращалась в отдельную трудно решаемую задачу.
  3. Ограничения на адекватность. Адекватность модели зависит от полноты информации о моделируемом объекте. Как правило, этой информации недостаточно на момент разработки программы управления. В таких случаях модель и программа, для которой делается модель "развиваются" вместе на этапах проектирования и наладки системы. Доработка модели в зависимости от необходимости может проводится даже после сдачи системы в эксплуатацию если возникает необходимость отработки дополнительных изменений. При этом в имитаторе необходимо соблюсти условие достаточной адекватности объекту. Имитатор должен быть адекватен работе агрегата, в его функциях, необходимых для проверки программного обеспечения.

Структура программно-аппаратной модели ГПА

Рис. 1. Структура программно-аппаратной модели ГПА

Таким образом, производственные условия накладывают ограничения на сложность имитатора. Однако его разработка оправдывает себя, если предельно упрощенная, но работоспособная модель будет разработана до введения системы в эксплуатацию и позволяет провести предварительные стендовые испытания программ, привести в соответствие с требованиями эргономики, выявить и исправить неизбежные ошибки [3], а так же испытывать и корректировать алгоритмы управления технологическим процессом.

Структура аппаратно-программной модели для отладки цехового регулятора

Рис. 2. Структура аппаратно-программной модели для отладки цехового регулятора

Поэтому важно рассмотреть различные подходы к построению таких имитаторов с точки зрения эргономики разработки программного обеспечения АСУТП [4]. При этом следует отметить, что для реализации проверки работы программы "нижнего уровня" вполне допустимо использовать предельно упрощенное математическое описание. При этом организационная структура данной модели позволяет усложнить - ввести дополнительные блоки описания технологических объектов по мере необходимости анализа и отработки разрабатываемого ПО АСУ ТП. Современные системы для научных исследований и инженерных расчетов (СНИИР), такие как MatLab,VisSim, LabView, VisualPro, поддерживают обмен по стандарту DDE (Dynamic Data Exchange) и стандарту OPC (OLE for Process Control). Это позволяет использовать их для моделирования при отладке рабочих программ. С точки зрения новых возможностей, представляемых этими программными средствами, рассмотренное выше моделирование в контроллерах нельзя считать перспективным подходом, так как языки программирования низкого уровня ориентированы на узкий класс задач и не могут удовлетворять новым требованиям. Возрастающая сложность систем управления агрегатной автоматикой и систем "бизнес уровня", потребует необходимости пересмотра структуры модели и подхода к моделированию. Новый подход к разработке имитаторов рассмотрим на практическом примере реализации этого подхода на фирме НКФ "Вега-ЛТД".

Задача программирования заключалась в разработке регулятора нагрузки компрессорного цеха (КЦ). При этом решались проектные задачи привязки цеховой системы управления к агрегатной автоматике газоперекачивающего агрегата (ГПА). Реализация программы была предусмотрена в программной среде Logicmaster 90-30 на цеховом уровне и Logicmaster 90-70 на агрегатном уровне. "Бизнес уровень" в системе представляет САУ "РИУС" (пульт оператора, программное обеспечением SCADA - системы - InTouch 7.1, сервер связи GEHCS на локальной сети Ethernet, объединяющий контроллеры GE Fanuc PLC 90-30 цеховой системы и системы управления отдельными ГПА, уровень агрегатной автоматики - система управления ГПА "Квант", где используются сервер GENIUS - сервер обмена данными на агрегатном уровне. Для проверки заложенных принципов регулирования необходимо было смоделировать работу нагнетателей ГПА - расчет мощности, политропический КПД, коэффициент технического состояния нагнетателя каждого из условных агрегатов, а так же рассмотреть совместно с моделями агрегатов динамику газового коллектора.

При использовании рассмотренного выше традиционной методики создания имитаторов, структура программно-аппаратного имитатора имеет вид, представленный на рис. 2. Такая структура стенда позволяет проверить правильность работы программы управления и комплекс задач проверки интерфейса верхнего уровня. Однако она требует нескольких контроллеров GE Fanuc PLC 90-70, в которых моделируется работа ГПА, так как возможности контроллеров серии GE Fanuc PLC 90-30 не позволяют сделать имитатор для всех имеющихся ГПА на одном контроллере. Остальные технологические задачи при данном подходе к моделированию решены быть не могут.

Поэтому нами был предложен другой подход, предусматривающий использование в качестве модели объекта управления математической модели, реализованной совместно в программах Mathcad 2000 и VisSim 4.5. Структура такой модели представлена на рис. 3.

Структура аппаратно-программной модели для отладки цехового регулятора

Рис. 3. Структура аппаратно-программной модели для отладки цехового регулятора

Такой способ моделирования имеет ряд преимуществ, использование которых улучшает характеристики процессов моделирования и отладки программно- аппаратного комплекса.

К числу таких преимуществ относятся:

  1. Визуализация процессов, протекающих в звеньях модели исключающая необходимость поиска в регистрах изменений параметров и дающая возможность получить наглядное отображение ситуации в виде графиков, диаграмм, и.т.п.
  2. Упрощение поиска и исправления ошибок программы.
  3. Повышение оперативности получения информации и гибкости интерфейса позволяющие анализировать работу имитаторов, размещенных в контроллере, находить и исправлять слабые места этих моделей.
  4. Повышение гибкости и простоты моделирования вследствие возможности привязки VisSim к контроллеру позволяющей исключать при отладке программ цехового регулирования контроллеры и размещенные в них имитаторы.
  5. Устранение ограничений на число и структуру соединений моделируемых агрегатов.

Фрагмент модели в программе Vissim

Рис. 4. Фрагмент модели в программе Vissim 4.5

Экспериментальное исследование предлагаемого программного аппаратного комплекса выявило существенное снижение скорости расчетов при включении в программу VisSim нескольких подпрограмм Mathcad. Однако это замедление не сказывается на эффективности отладки цехового регулятора, так как в данном случае вследствие медленного протекания реальных технологических процессов не требуется большая скорость вычислений.

Фрагмент расчета модели в программе Mathcad

Рис. 5. Фрагмент расчета модели в программе Mathcad 2000

На этапе проектирования АСУ КЦ возникла задача согласования алгоритмов регулирования. Для изложения принципов регулирования необходим был стенд, подкрепляющий теоретическое обоснование практическим результатом работы алгоритмов. Модель системы управления и регулятор, разработанный в ПО VisSim 4.5, был представлен на ежегодной выставке по автоматизации в ООО "Мострансгаз" в марте 2003 г. После согласований система была подготовлена к предварительным испытаниям.

В феврале 2004 г. система управления компрессорным цехом успешно прошла предварительные испытания на компрессорной станции Алгасово. Выполнены все функции, включенные в методику проведения испытаний. При этом в целях повышения конкурентоспособности решено внести дополнительные функции в разработанную систему.

Дальнейшее развитие системы управления предполагает внесение в систему функций прогнозирования, основанных на расчетах преобразованной линеаризованной системы уравнений газовой динамики для изотермического течения газа

,

,

и технической диагностики оборудования по термогазодинамическим параметрам.

Отработка этих довольно сложных вычислений требует отладки и алгоритма интеграции блока расчетов в рабочую программу. Расчеты реализованы в dll-компонентах, отработка расчетов проводится интеграцией dll-компонентов в существующую модель компрессорного цеха, в программе VisSim 4.5.

Выводы

Метод структурного моделирования в программном обеспечении VisSim позволяет поэтапно решать важные технологические задачи программирования на этапах разработки программно-аппаратного комплекса. Метод представляет собой последовательное изменение модели объекта с целью поэтапной отладки сложных комплексных программ управления в АСУ ТП. Гибкость и многозадачность ПО VisSim позволяет оптимизировать расчеты, последовательно усложняя имитатор объекта, внесением дополнительных связей и заменой упрощенных зависимостей соответствующими передаточными функциями. Данный подход к моделированию реализован на примере разработки модели компрессорного цеха.

Литература

  1. Мунипов В.М. Зинченко В.П. (2001). Эргономика: человеко ориентированное проектирование техники, программных средств и среды/ Учебник. -Москва: Логос.-345 c.
  2. Богданов Н.И., Слободчиков К.Ю. Проблемы эргономических исследования процесса разработки интерфейса систем "Человек-компьютер - АСУ ТП". (2002)//Вестник ХГАДТУ/ - Харьков: Изд-во ХНАДУ/Сб. научн. тр., вып. 17. -103с.
  3. Зараховский Г.М. (1983). Методы и технические средства предпроектного эргономического моделирования. Учебник.:-Москва. Логос.-240 c
  4. Богданов Н.И., Слободчиков К.Ю., Плугина Т.В., Інформаційні технологіі навчання у вищих закладах освіти (2001)// Збірник матеріалів П'ятоі Міжнародноі науково-методичноі конференціі /Частина 2 - Суми: "Ризоцентр" СумДУ- 233с.
  5. Андреев Е.Б. Разработка операторских интерфейсов в пакете In Touch М.: Изд-во РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2000.
  6. Попадько В.Е. Проектирование SCADA- систем. - М.: Изд-во РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2000 г.
  7. Фетисов В.Н. Структурные методы в проектировании систем автоматического управления. Приборы и системы. Управление, контроль, автоматика. - 2000 №10 С.1-7.
  8. Слободчиков К.Ю. Решение оптимизационной задачи в системе управления режимом компрессорного цеха газоперекачивающих агрегатов.

8.04.2004